自动分拣鸡蛋平台气动系统研究

２０１４年１月第４２卷第２期机床与液压ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳＪａｎ２０１４Ｖｏｌ４２Ｎｏ２ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊｉｓｓｎ１００１－３８８１２０１４０２０２４收稿日期：２０１２－１２－０２作者简介：胡小静（１９８６—），女，硕士研究生，从事气动（液压）设备控制系统的学习研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｃｔｐｉｎｇｐｉｎｇ＠１６３ｃｏｍ。自动分拣鸡蛋平台气动系统研究胡小静，颉潭成，毛恒轩，南翔，袁子皓（河南科技大学，河南洛阳４７１００３）摘要：主要研究自动分拣鸡蛋平台的气动系统，包括自动分拣鸡蛋平台的设计与安装、气动回路设计，并对气动回路中所使用的空气压缩机、减压阀、两位五通电磁阀等元器件进行了选型，并成功连接了气动传动回路。对能吸取有缺陷鸡蛋的气动真空吸盘控制系统进行了研究，分析了气动回路的可行性，结果证明：该气动传动回路设计正确，能把有缺陷的鸡蛋成功吸起并分拣出来。关键词：自动分拣鸡蛋平台；气动系统；真空吸盘；控制系统中图分类号：ＴＢ７９　　文献标识码：Ｂ　　文章编号：１００１－３８８１（２０１４）２－０６８－３ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＰｎｅｕｍａｔｉｃＳｙｓｔｅｍｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｃＳｏｒｔｉｎｇＥｇｇｓＰｌａｔｆｏｒｍＨＵＸｉａｏｊｉｎｇ，ＸＩＥＴａｎｃｈｅｎｇ，ＭＡＯＨｅｎｇｘｕａｎ，ＮＡＮＸｉａｎｇ，ＹＵＡＮＺｉｈａｏ（ＨｅｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＬｕｏｙａｎｇＨｅｎａｎ４７１００３，Ｃｈｉｎａ）　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐｎｅｕｍａｔｉｃｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｃｓｏｒｔｉｎｇｅｇｇｓｐｌａｔｆｏｒｍｗａｓｓｔｕｄｉｅｄｍａｉｎｌｙ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｃｓｏｒｔｉｎｇｅｇｇｓｐｌａｔｆｏｒｍ，ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｐｎｅｕｍａｔｉｃｌｏｏｐ．Ａｎｄａｉｒｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ，ｐｒｅｓｓｕｒｅｒｅｄｕｃｉｎｇｖａｌｖｅ，ｔｗｏｐｏｓｉｔｉｏｎｆｉｖｅｗａｙｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｖａｌｖｅａｎｄｏｔｈｅｒｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｗｈｉｃｈｗｅｒｅｕｓｅｄｉｎｔｈｅｐｎｅｕｍａｔｉｃｃｉｒｃｕｉｔｗｅｒｅｓｅｌｅｃｔｅｄ．Ｔｈｅｐｎｅｕｍａｔｉｃｄｒｉｖｅｃｉｒｃｕｉｔｗａｓｃｏｎｎｅｃｔｅｄｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ．Ｔｈｅｐｎｅｕｍａｔｉｃｖａｃｕｕｍｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｗｈｉｃｈｃｏｕｌｄｄｒａｗｔｈｅｄｅｆｅｃｔｉｖｅｅｇｇｓｗａｓｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｐｎｅｕｍａｔｉｃｓｙｓｔｅｍｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄｐｎｅｕｍａｔｉｃｄｒｉｖｅｃｉｒｃｕｉｔｉｓｒｉｇｈｔ，ａｎｄｉｔｃａｎｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙｓｕｃｋｕｐａｎｄｓｏｒｔｉｎｇｏｕｔｔｈｅｄｅｆｅｃｔｉｖｅｅｇｇｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ａｕｔｏｍａｔｉｃｓｏｒｔｉｎｇｅｇｇｓｐｌａｔｆｏｒｍ；Ｐｎｅｕｍａｔｉｃｓｙｓｔｅｍ；Ｖａｃｕｕｍｃｈｕｃｋ；Ｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ　　近年来，随着生物制药业的迅猛发展，作为生物制药企业的原材料和半成品，如何保证鸡蛋正常孵化并在制药过程中剔除破损、死胚、弱配、污染胚等异常鸡蛋是制药企业的普遍难题。目前，在国内孵化鸡蛋现场，尚无专门的进行孵化鸡蛋胚体缺陷检测和分拣设备，只能靠传统的人工鉴定和分拣［１］。自动分拣鸡蛋平台可以及时检测并剔除劣质胚蛋，有效地节约时间、空间和劳动力。此研究具有重要的理论意义和广泛的实用价值，实施后极大地提高了生物制药企业的产量和自动化生产水平，对促进企业生产力发展、提高市场竞争力和提升经济效益具有重要意义。１　气动简介近２０多年来，气动行业发展很快，在工业生产的各个领域，都已广泛使用了气动技术［３］。使用气动技术可以保证产品质量的均一性，可以减轻单调或繁重的体力劳动，还可以提高生产效率、降低成本。目前，气动真空吸盘的应用也越来越广泛，已经向医疗、生活等领域扩展。在生产自动化过程中，可以利用气动真空吸盘提高工作效率，利用灵巧的真空吸盘将一般气爪或机械手很难抓起的鸡蛋等易损、易碎的物品轻轻地吸起，运送到指定位置上。２　自动分拣鸡蛋平台的搭建自动分拣鸡蛋平台由３个部分组成：鸡蛋输送平台（图１所示），鸡蛋图像处理平台（图２所示），鸡蛋自动分拣平台（图３所示）。３个平台上都安装有步进电机，步进电机由电机梁和电机座梁固定，并由驱动器驱动旋转。鸡蛋图像处理平台和鸡蛋自动分拣平台上都分别安装有两个伺服电机和一个十字滑台，两个伺服电机一个控制横向移动，另一个控制纵向移动。整个平台的特征在于：该平台是三段式结构，并且这３个平台相互独立，可以通过铸对角连接座进行连接，也可以进行拆分，这样能够使整个装置便于调试，并且平台底部安有脚轮，便于移动。　　图１　鸡蛋输送平台　　　　　　　　图２　鸡蛋图像处理平台　　　　　　　图３　鸡蛋自动分拣平台３　气动传动回路的设计文中研究的气动真空吸盘抓取的气动回路原理如图４所示，当鸡蛋托盘传送到指定的位置时，传感器发出反馈信号给控制器，控制器控制气动回路。空气压缩机里的气体，通过被称作调理组合的过滤减压阀，除去压缩空气中的固态杂质、水滴和污油滴等，并将进口压力降低到符合使用要求的出口压力；干净且符合压力要求的气体经过单向节流阀流进无杆腔，无杆腔进气，活塞杆下移，从而控制气缸的压力和输出位移；当真空吸盘接触到鸡蛋时，真空吸盘靠真空发生器产生的真空压力便可吸起鸡蛋，并且控制器控制两位五通电磁换向阀进行换向，有杆腔进气，活塞杆上移，从而把有缺陷的鸡蛋吸起，最终把鸡蛋放回到回收鸡蛋的托盘中，达到分拣鸡蛋的目的。图４　气动回路原理图３１　气动回路中气缸的选择在气动执行元件中，使用最多的是直线运动的气缸。按缸径通常分为微型缸、小型缸、中型缸、大型缸。气缸的行程有标准行程、长行程和最大行程。按驱动气缸时压缩空气作用在活塞端面上的方向分单向作用气缸和双向作用气缸。选择气缸的缸径，根据气缸的负载状态，确定气缸的轴向负载力Ｆ。根据气缸的操作距离及传动机构的行程比来预选气缸的行程。根据气缸承担任务的要求来选择气缸的品种。通过分析，选用气缸的型号为：ＰＩＳ２１１２０５０Ｍ，安装固定式气缸时，负载和活塞杆的轴线要一致，活塞杆上通常只能承受轴向负载，要避免在活塞杆上施加横向负载和偏心负载。使用气缸时要注意使用清洁干燥的压缩空气。３２　气动元器件的选型此次设计空压机选用ＺＫＣ００５／８型空气压缩机，气动元件选用台湾金器气动公司的产品，其中被称作调理组合的过滤减压阀型号为ＭＡＦＲ３００８Ａ，被称作调压器的减压阀型号为ＭＡＲ３００８Ａ，二位五通电磁图５　气动回路实物图阀的型号为ＭＶＳＣ２２０４Ｅ１ＤＣ２４Ｖ，磁性开关的型号为ＲＣＡ（２Ｍ），消音器的型号为：ＭＳＬＢ０１。气缸和吸盘通过接头连接后，用气缸连接座和气缸安装架固定在滚珠丝杠的螺母座上，空气过滤器、电磁阀和真空发生器等气动元件通过一块安装板固定在工作台架上，易于同气缸和吸盘相连接。气动回路实物图如图５所示。３３　气动装置真空度的计算使用ｎ个同一直径的吸盘吸吊物体，吸盘直径Ｄ为：·９６·第２期胡小静等：自动分拣鸡蛋平台气动系统研究　　　Ｄ≥４Ｗｔπ槡ｎｐ（１）其中：Ｄ为吸盘直径，ｍｍ；Ｗ为吸吊物重力，Ｎ；ｔ为安全率。水平吊，ｔ≥４；垂直吊，ｔ≥８。ｐ为吸盘内的真空度，ＭＰａ。实验中一个鸡蛋的平均重力Ｗ＝００７５×１０Ｎ＝０７５Ｎ，，每个鸡蛋需要一个直径为３５ｍｍ的真空吸盘，因为是水平吊，选安全率ｔ＝４，由公式（１）可得吸吊鸡蛋所需真空度为：ｐ＝４ＷｔπＤ２ｎ＝４×０７５×４π×３５２×１ＭＰａ＝０００３１２ＭＰａ＝３１２ｋＰａ吸盘内的真空度ｐ应在真空发生器（或真空泵）的最大真空度ｐｖ的６３％～９５％内选择，以提高真空吸着的能力，又不致使吸着响应时间过长。３４　额定流量下测定元件的流量特性测定气动元件的流量特性，只需测定气动元件在额定流量下上下游的压力降，便可反映出不可压缩流态下的流量特性。定常流法测定元件的流量特性原理如图６所示，图中ｄ为上下游管道内径。图６　定常流法测定元件的流量特性４　气动回路的控制系统设计电控柜内部集成系统的大部分控制元件，可以用于控制系统运行，包括控制气动系统中两位五通电磁阀的换向等。电控柜由ＰＬＣ、继电器、接触器、步进驱动器、伺服驱动器、ＰＬＣ供电电源、步进驱动电源、计算机等控制元件组成，电控柜的实物图如图７所示。图７　电控柜气动系统的智能控制。在现代科学技术的众多领域中，智能控制技术起着越来越重要的作用。智能控制采用各种智能技术来实现复杂系统和其他系统的控制目标，是一种具有强大生命力的新型自动控制技术。智能控制保证了控制系统的控制精度、抗干扰能力、稳定性等性能。采用参数模糊自整定ＰＩＤ控制方法对气动系统进行控制。运用模糊推理，即可自动实现对ＰＩＤ参数的最佳调整，模糊控制技术具有解决难以建立数学模型的优点，ＰＩＤ控制具有消除稳态误差的优点，将模糊控制技术和ＰＩＤ控制相结合如图８所示，对气动真空吸盘参数进行控制，从而将托盘上的鸡蛋平稳抓起，放到指定位置上，达到分拣鸡蛋的目的。图８　参数模糊自整定ＰＩＤ控制器结构图５　结论结合真实的气压试验平台保证了自动分拣鸡蛋平台气动系统中气动真空吸盘吸取鸡蛋的现场可用性，具有一定的参考价值。实验证明：通过智能控制系统控制气动系统能使真空吸盘得到一个稳定的真空吸附力，使鸡蛋能够平稳地吸起，并且吸着响应时间Ｔ也非常短，可防止鸡蛋掉下，减少有缺陷鸡蛋的破损率，达到自动分拣鸡蛋的目的。参考文献：【１】胡忠阳．孵化鸡蛋胚体缺陷在线图像检测系统［Ｄ］．洛阳：河南科技大学，２００９．【２】武鹏飞，吴张永，邵晓光．气动机械手柔性抓取控制系统设计与仿真分析［Ｊ］．机床与液压，２００８，３６（１２）：１１６－１１７．【３】ＳＭＣ（中国）有限公司．现代实用气动技术［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９７．【４】吴振顺．气压传动与控制［Ｍ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，１９９５．【５】王晓方．液压与气动技术［Ｍ］．北京：中国轻工业出版社，２００６：８２－９５．【６】张世亮．液压与气压传动［Ｍ］．北京：中国机械工业出版社，２００６：７６－８４．【７】关浩，王文涛，刘宁．采用气压驱动的六足行走机器人及ＰＬＣ控制［Ｊ］．液压气动与密封，２００７（４）：２４－２６．【８】ＮＯＵＮＢａｓｈｉｒＭＹ，ＡＬＢＥＮＤＥＲＦａｒｉｄ，ＳＷＥＶＥＲＳＪａｎ，ｅｔａｌ．ＭｏｄｅｌｌｉｎｇａＰｎｅｕｍａｔｉｃＳｅｒｖｏＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍｗｉｔｈＦｒｉｃｔｉｏｎ［Ｃ］／／ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＡｍｅｒｉｃａｎＣｏｎｔｒｏｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２０００：１０６７－１０７１．·０７·机床与液压第４２卷